Propriedades Térmicas - · PDF fileFônons e elétrons livres carregam...
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Propriedades
Térmicas
• Como o material responde ao calor?
• Como definir...
- Capacidade Calorífica
- Expansão Térmica
- Condutividade Térmica
- Resistência ao choque térmico
• Como cerâmicas, polímeros e metais se comportam em termos de propriedades térmicas?
Quais os pontos principais no estudo de propriedades térmicas?
Duas maneiras de medir capacidade calorífica:
Cp : capacidade calorífica a pressão constante.
Cv : capacidade calorífica a volume constante.
Capacidade Calorífica
Habilidade do material de absorver calor
Quantitativamente: Energia necessária para aumentar a temperatura de uma unidade para uma certa quantidade de material
Capacidade Calorífica (J/mol-K)
Energia fornecida (J/mol)
Variação da temperatura (K)
Capacidade Calorífica vs T
Capacidade calorífica para sólidos cristalinos simples...
– Aumenta com a temperatura
– Atinge um valor limite de 3R
Constante
dos gases:
8,31 J/mol-K
constante
Temperatura
de Debye
Calor Específico cv ou cp
(J/kg-K)
Comparação entre calores específicos
Origem da capacidade calorífica
Posição normal dos átomos da rede Posição deslocada devido à vibração
- Ondas de altas frequências, pequenas amplitudes.
- Átomos ligados são produzidas ondas que caminham pela rede.
- A energia térmica vibracional é formada por uma série destas ondas
elásticas.
- Somente algumas frequências são permitidas fônons
(quantizados).
A assimilação da
energia térmica se
dá pelo aumento da
energia vibracional
dos átomos.
Expansão Térmica
Tf
T0
lf
l0
Coeficiente linear de expansão térmica
lV 3
Material isotrópico Expansão volumétrica
Expansão Térmica – Perspectiva Atômica
- Causa: aumento da distância interatômica entre átomos (potencial assimétrico)
r0: posição de equilíbrio – mínima energia
Temperatura (T1<T2<T3, etc)
a energia vibracional a amplitude média de vibração.
- Ligação atômica (metal, cerâmica e polímero; forte ou fraca) define a
profundidade e largura do poço de potencial, portanto define o
coeficiente de dilatação térmica.
Energia Potencial
Energia Potencial
Distância Interatômica
Distância Interatômica
Expansão Térmica – Comparações
Cerâmica – ligação iônica/covalente Metal – ligação metálica Polímeros – ligações secundárias fracas (pouco “crosslink”); polímeros do tipo fenol-formaldeído têm ligação covalente e assim baixo coeficiente de expansão térmica
Materiais com baixo l
Charles-Edouard Guillaume descobriu em 1896 INVAR (64%Fe-36Ni (% em peso))
Ganhou Nobel em 1920 É um metal e tem baixo coeficiente de expansão
l ~ 1,6.10-6 (C); entre 27 e 230 C
Energia Potencial Simétrico? Não!
Dilatação térmica compensada por contração magnética - magnetostricção
Materiais resfriados rapidamente e deformados a frio têm baixo l
Tratamentos térmicos aumentam l
Outros materiais com baixo l
Super-INVAR (64%Fe-32Ni-4Co (% em peso)) l ~ 0,72.10-6 (C); persiste em pequeno intervalo de
temperatura
KOVAR (54Fe-29Ni-17Co (% em peso)) l próximo ao do vidro pirex
Quando ligado a pirex e submetido a variações de temperatura são evitadas fraturas nas juntas
Uso (estabilidade dimensional) - Pêndulos de compensação e engrenagens em balanças para relógios mecânicos e relógios de pulso. - Componentes estruturais em lasers em que é necessário estabilidade dimensional ~ comprimento de onda. - Recipientes e tubulações para guardar e transportar gás natural -Tubos catódicos e telas de TV; melhora brilho e definição (antigamente...)
Junções de KOVAR com Pirex
Fotografia mostrando produtos tubulares que têm junção vidro-metal. O coeficiente de expansão térmica da liga metálica (Kovar) que tem o mesmo coeficiente de expansão térmica do vidro pirex. Como os coeficientes de expansão térmica são próximos, minimiza-se fraturas devido a tensões térmicas.
Condutividade Térmica
Habilidade do material de transferir calor de uma região mais quente para uma região mais fria.
Gradiente de Temperatura
(K/m)
Condutividade térmica (J/m-K-s)
Fluxo de calor
(J/m2-s=W/m2)
Fluxo de calor
Lei de Fourier
Fônons e elétrons livres carregam energia (vibrações) da
região mais quente para regiões mais frias.
Condutividade Térmica –
Paralelo com a 1a. lei de Fick
q dT
A dx
J D
dC
dx
Lei de Fourier de resfriamento
q = : Fluxo de calor [W m–2]
k: Condutividade Térmica [W m–1 K–1]
: Gradiente de temperatura [K m–1]
Comparar com a primeira Lei de Fick:
J: fluxo de massa
D: Difusividade
: Gradiente de concentração
dx
dT
dx
dC
A
q
Mecanismos de Condução Térmica
kl: Condutividade térmica da rede (vibração)
ke: Condutividade térmica dos elétrons livres a
um
en
tan
do
k
• Polímeros
Polipropileno 0.12
Polietileno 0.46-0.50
Poliestireno 0.13
Teflon 0.25
Vibração/
Rotação das cadeias
de moléculas
• Cerâmicas
Magnesia (MgO) 38 Alumina (Al2O3) 39 Vidro 1.7 Silica (crist. SiO2) 1.4
Vibração de átomos
• Metais
Alumínio 247
Aço 52
Tungstênio 178
Ouro 315
Vibração dos átomos
e
movimentação
de elétrons
k (W/m-K) Transferência de Energia Material
el kkk
Condutividade Térmica – METAIS
• Elétrons de condução são responsáveis por ambas as conduções: elétrica e térmica
Metais que possuem alta condutividade térmica k, também possuem alta condutividade elétrica
Lei de Wiedemann-Franz:
Onde L é previsto ser constante em metais.
L
T8
22.44 10Th
WL
K
Condutividade Térmica
CERÂMICAS ~ 2 – 50 W/m-K
POLÍMEROS ~ 0,3 W/m-K
Porosidade k (usados como isolante térmico)
Temperatura C
Co
nd
uti
vid
ade
Té
rmic
a, (
W/m
-K)
Baixos valores de k Usados como isolantes térmicos Porosidade k (isopor, espumas) Cristalinidade k (amorfo k) Maior coordenação da vibração das cadeias moleculares
AR ~ 0,02 W/m-K
• Ocorre devido: aquecimento/resfriamento desigual
• Ex: Considere o topo de uma camada que é rapidamente resfriado de
T1 a T2:
Uma tensão é
gerada na
superfície
)( 21 TTE
Resfriamento rápido
Resiste ao resfriamento
Tenta contrair durante o resfriamento T2
T1
Para fratura, = f Diferença Crítica de Temperatura Tcrit
Metais e polímeros acomodam-se por deformação plástica Cerâmicas apresentam problemas de fratura.
Resistência ao Choque Térmico
E é o módulo de elasticidade
Alta resistência ao choque térmico : é grande.
l
f
E
k
Resultado:
E
kf
(Taxa de resfriamento)para
fratura
igualar
Diferença de temperatura que pode ser produzida pelo resfriamento
k
toresfriamendetaxa
Diferença Crítica de Temperatura para fratura
( = f)
(T1-T2)fratura
Ef
(T1-T2) = k
x.q
A forma mais fácil de aumentar a resistência ao
choque térmico é diminuir l.
Exemplo: Vidro comum tem l = 910-6/C
Reduzindo-se CaO e Na2O e adicionando-se Ba2O3
l = 310-6/C, que é o vidro pirex.
A adição de grandes poros e fases dúcteis
também ajudam a aumentar a resistência ao
choque térmico
l
f
E
k
térmico choque ao
aResistênci
Cubo de fibra de sílica: material isolante, que após alguns segundos de ser removido do forno (1250 C) pode ser segurado pelas quinas com a mão. Inicialmente a condução de calor a partir da superfície é muito rápida. Mas com a condutividade deste material é extremamente baixa, a condução do interior para o exterior é muito lenta.
Além da baixa condutividade térmica, têm as características: baixa densidade e baixo coeficiente de expansão térmica
Fibras de silica (400-1260°C)
microestrutura
~90% de porosidade
100 mm
Usado em veículos espaciais